Ricerche

Se si dà un biscotto a un bioingegnere ... "Quando si afferra un biscotto e si vuole romperne un pezzo con una goccia di cioccolato", dice Maurice Smith (nella foto), muovendo un po' di biscotto friabile tra due dita, "il cervello deve rappresentare quel piano d'azione estrinsecamente, in quanto si tratta di un'attività con base nel mondo".

I biscotti sono presenti per festeggiare il compleanno del bioingegnere nel suo laboratorio in Oxford Street 60, un edificio bianco tozzo situato sul lato più settentrionale del campus di Harvard.

Nei paraggi c'è una mezza luna di torta al cioccolato con una linea di candele colorate ancora intatte. Gesticolando con il biscotto, Smith, Professore Associato di Bioingegneria alla Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), imita ancora la complessità della memoria motoria.

"La rappresentazione intrinseca è basata sul corpo e procedurale. Si riferisce alla complessa serie di movimenti muscolari e articolari che deve fare il corpo per completare un compito", dice Smith. "Quando mi è venuta la voglia di prendere il biscotto o di romperne un pezzo con una goccia di cioccolato, il mio corpo ha risposto in modo appropriato". Capire il modo in cui il cervello rappresenta le azioni estrinseche ed intrinseche, e il rapporto tra le due, è di grande interesse per i ricercatori che cercano di comprendere il controllo motorio e l'apprendimento motorio - o, in altre parole, come impariamo a muoverci.

Solo pochi mesi fa, Smith e i suoi colleghi del Laboratorio di Controllo Neuromotorio hanno elaborato una teoria generalizzabile su come il cervello codifica le memorie motorie. In un articolo sul Journal of Neuroscience, hanno dimostrato che le unità di memoria motoria non sono così binarie, dopo tutto, ma sono invece una miscela sia di quella intrinseca che quella estrinseca.

"Non c'è dubbio che le nostre azioni siano intrinsecamente spaziali, ma la natura della struttura coordinata usata nella memoria motoria per rappresentare lo spazio di pianificare l'azione, è oggetto di accesi dibattiti", spiega Smith. "L'idea prevalente finora era che nella memoria manteniamo rappresentazioni di azioni intrinseche ed estrinseche distinte, e passiamo tra le due quando è necessario. Ma il nostro lavoro dimostra che le rappresentazioni della memoria sono combinatorie piuttosto che separate".

Singoli neuroni in varie e diverse aree motorie del cervello codificano le combinazioni moltiplicative delle rappresentazioni intrinseche ed estrinseche, una proprietà che i neurofisiologi hanno chiamato codifica a guadagno di campo. Questo si conosce da molto tempo, ma si pensava che l'aumento di codifica a guadagno di campo fosse semplicemente un modo per passare tra rappresentazioni intrinseche ed estrinseche. "Abbiamo scoperto che questa codifica a guadagno di campo, che porta ad una rappresentazione combinatoria dello spazio, non è semplicemente un intermediario nella trasformazione tra le rappresentazioni, ma in realtà è la codifica su cui si basano i ricordi motori", dice Smith. "Questo suggerisce che i neuroni che mostrano una codifica a guadagno di campo sono gli stessi in cui sono archiviati i ricordi motori associati alle azioni che impariamo".

Lo studio, apparentemente astratto, si inserisce direttamente dentro il piano più vasto di Smith. Lui e il suo gruppo di ricerca alla SEAS stanno cercando di capire il sistema motorio del corpo come farebbe un meccanico: cioè, abbastanza bene da essere in grado da risolvere o da ripararlo temporaneamente quando è danneggiato.

Un disturbo neurodegenerativo derivante da un ictus o da una condizione come l'Alzheimer può rendere quasi impossible compiere l'atto di prendere in mano un biscotto. Ma come si fa a passare da un modello teorico astratto sulla codifica della memoria motoria a qualcosa che un ingegnere, una persona interessata alla progettazione e alla costruzione di cose reali e che raccoglie dati del mondo reale su come ci muoviamo, potrebbe riconoscere più facilmente?

La risposta sta in una semplice stanza, un po' più grande di una cabina-armadio. Vicino all'ingresso del laboratorio di Smith, c'è una nicchia con tavolo, monitor, poltrona da barbiere regolabile, penna digitale e pad. Questo semplice ambiente consente a Smith e al suo team di registrare i movimenti e di formare i partecipanti a fare movimenti delle mani basati su segnali visivi. Il laboratorio di Smith è uno dei pochi alla SEAS che si basa sulla sperimentazione umana. Nelle strutture che lo circondano, gli ingegneri hanno costruito piccoli insetti robotici, polmoni-su-chip, e una medusa artificiale fatta di tessuto del cuore di un topo e silicone.

Eppure, nonostante il nome, il lavoro del Laboratorio di Controllo Neuromotorio sembra lontano dai crepitii reali dei neuroni, in quanto non ci sono maglie neurali cerebrali o elettrodi in vista. Non ci sono cervelli in bottiglia o striscie di tessuti neurali in capsule di Petri. Smith, who has an MD as well as a Ph.D. Smith, laureato MD e Ph.D. alla Johns Hopkins, trascorre molto tempo a spiegare come tutto abbia un senso. Nel caso di questa nuova teoria sulle azioni intrinseche ed estrinseche, l'apparecchiatura di Smith per la registrazione del movimento fornisce un mezzo semplice ma potente di raccogliere grandi quantità di dati - milioni di singoli movimenti - che spiegano gli algoritmi e le rappresentazioni neurali con cui si impara a controllare le proprie azioni.

Jordan Brayanov, uno studente laureato alla SEAS, spiega concitato a cosa, in ultima analisi, è diretto tutto questo lavoro: aiutare coloro che soffrono di lesioni cerebrali. "Non si possono aprire dei veri cervelli umani per la scienza, ed è difficile lavorare con i pazienti che già presentano deficit cognitivo, quindi il nostro laboratorio è impostato per riprodurre queste condizioni nelle persone sane, che nel nostro caso sono molti studenti di Harvard", dice Brayanov. "Capire come il nostro corpo impara a raggiungere e ad afferrare ci dà informazioni su come funziona il sistema nervoso. Altrettanto importante, possiamo cominciare a vedere che cosa può accadere quando non funziona, quando una persona ha un qualche tipo di disturbo motorio risultato di una malattia neurologica".

La disfunzione motoria rimane uno dei problemi di salute più debilitanti, ed è spesso l'insuccesso nascosto che sta dietro l'istituzionalizzazione in una casa di cura e la perdita di indipendenza dei pazienti con Alzheimer, che la maggior parte delle persone associano al declino delle capacità mentali e al deficit di memoria dichiarativa piuttosto che alle competenze motorie. "In realtà non è tanto la perdita di memoria dichiarativa che porta ad istituzionalizzare il malato di Alzheimer, ma l'incapacità di eseguire i compiti motori più elementari, come vestirsi o mangiare", spiega Smith.

Armati delle nuove conoscenze del laboratorio, Smith e il suo team sono ora in grado di offrire indicazioni agli altri che stanno sviluppando nuovi modi per trattare i problemi motori. Stanno riponendo le loro speranze nelle tecniche non invasive che utilizzano i campi magnetici o la corrente continua per aumentare selettivamente o diminuire la plasticità neurale di popolazioni isolate di neuroni - senza richiedere alcuna perforazione del cranio. "Queste tecniche si sono dimostrate alquanot promettenti per incrementare potenzialmente l'attività neurale specifica atta a scongiurare l'insorgenza di deficit motori", dice Brayanov. "Sono relativamente grezze al momento. Non riescono ancora a puntare con precisione millimetrica su specifiche aree del cervello, ma non potranno che migliorare".

La riuscita terapeutica, tuttavia, richiede anche ai medici di sapere quali neuroni stimolare, e quando. In sostanza, Smith, Brayanov, e i loro colleghi stanno cercando di scrivere una parte del manuale di istruzioni che i medici un giorno useranno per contribuire a combattere le malattie neurodegenerative, proprio come altri ingegneri potrebbero fornire gli schemi per una mano artificiale. "Se riusciremo a fare questo, potremo dare potenziamente una miglioramento alla qualità di vita, nonché un risparmio alla spesa sanitaria", dice Smith. "Anche se questo significasse allontanare il deficit motorio solo per sei mesi, nel caso di una malattia neurodegenerativa progressiva, come l'Alzheimer, sarebbero sei mesi in più di vita indipendente".

Questo lavoro è stato finanziato da McKnight Endowment for Neuroscience, dalla Alfred P. Sloan Foundation, e dalla Wallace H. Coulter Foundation.

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Fonte: Materiale della Harvard School of Engineering and Applied Sciences.

Riferimento: JB Brayanov, DZ Press, MA Smith. Motor Memory Is Encoded as a Gain-Field Combination of Intrinsic and Extrinsic Action Representations. Journal of Neuroscience, 2012; 32 (43): 14951 DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1928-12.2012.

Pubblicato in Science Daily il 6 Febbraio 2013 - Traduzione di Franco Pellizzari - Foto: Eliza Grinnell, SEAS Communications

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